建筑材料热工设备-1-水泥窑-第5节 回转窑系统的设计计算 (2) 建筑材料热工设备 过程装备与控制工程系 严晗 第一章 水泥回转窑 * 第5节 回转窑系统的设计计算 * 回转窑系统的设计计算的主要内容，是根据原料和燃料情况，生产的水泥品种和质量，工厂的自然条件和生产规模等来确定窑的类型和尺寸，或对已建成的窑进行产量标定，以及计算单位产品的燃料消耗量，回转窑系统的重要配套设备，如冷却机、预热器、分解炉、煤磨、收尘器、喂料装置及通风设备等也要在窑的产量和燃料消耗量确定后进行设计计算。 一、回转窑筒体尺寸与产量的关系 影响回转窑产...

  建筑材料热工设备 过程装备与控制工程系 严晗 第一章 水泥回转窑 * 第5节 回转窑系统的

  ，是根据原料和燃料情况，生产的水泥品种和质量，工厂的自然条件和生产规模等来确定窑的类型和尺寸，或对已建成的窑进行产量标定，以及计算单位产品的燃料消耗量，回转窑系统的重要配套设备，如冷却机、预热器、分解炉、煤磨、收尘器、喂料装置及通风设备等也要在窑的产量和燃料消耗量确定后进行设计计算。 一、回转窑筒体尺寸与产量的关系 影响回转窑产量的因素很多，如窑的类型和尺寸、冷却机、预热器和分解炉等设备的配套情况，原燃料成分和质量、熟料的品种、操作水平，运转率等。但是，就窑本身来说，决定其产量的直接因素是窑的规格尺寸，即其直径和长度，而其他因素相对来说是客观可变的，只能随条件不同而使窑的生产能力在一些范围内波动。窑产量与其尺寸的函数关系，目前还不能通过理论推导来求得，可行的方法是通过对大量的实际生产数据来进行统计分析，建立一些实用的相关关系。即经验公式。 本课程介绍常用的几个计算式： 1、日本水泥协会推荐的公式： 式中： G——窑的小时产量，t/h； D——窑烧成带筒体内径，m； L——窑有效长度，m； K——系数，因窑型而异，见P108

  2-28。 2、日本池田提出的计算SP窑生产能力的公式： 式中： G——熟料小时产量，t/h； ——回转窑烧成带衬砖内径，m； 为反映窑长度的影响，该式还附带

  窑长L与内径 的关系应符合下式： 3、北京建材院提出的计算NSP窑的生产能力公式： 式中： G——熟料小时产量，t/h； K——系数，K=0.114～0.119。 1986年，南京化工学院汇总了世界上54个国家，从1951年到1984年投产的617台各悬浮预热器和分解窑的生产数据或设计资料，利用微机进行产量回归分析，得到了旋风预热器窑、立筒预热器窑和预分解窑三组产量计算公式。参见P109表2-29。 4、南京化工学院推荐公式 5、我国水泥工业设计院，根据国内窑的生产资料统计，推荐的湿法窑生产能力计算公式： （因湿法窑不在发展之列，略）。 二、回转窑筒体尺寸的确定 对于新设计窑或旧窑改造时，必须合理地确定窑的规格尺寸（直径、长度或长径比）。 窑的类型和规格尺寸不同，则窑的单位产量指标也不完全一样，目前，确定窑尺寸时，一般是根据选取合理的单位熟料产量指标计算窑尺寸。 1、单位容积产量： （t/m3日） 2、单位表面积产量： （kg/ m2h） 3、单位截面积产量： （t/ m2h） 4、单位熟料产量指标与窑径的关系： 根据国内外大量已投产的统计资资，计算各窑的单位产量指标，再建立与窑内径之间的关系，可以作成以上三项指标与窑直径的关系。 然后根据图可推导得到各项指标与窑尺寸的相关关系。参见P111表2-30，9个公式。 6、窑的长径比与窑径的关系： 悬浮预热器窑： 立筒预热器窑 预分解窑： 7、窑尺寸的计算公式： （m） （m） 三、回转窑产量的标定 回转窑的产量是确定工厂生产规模、原料、燃料消耗定额，和全厂设备选型设计的依据，是水泥厂工艺设计的重要指标。 1、产量标定的意义 正如前面所论述的，除了窑的类型和尺寸外，影响回转窑产量的因素很多，特别是近年来，随着生料预均化系统的完善，悬浮预热器窑与窑外分解窑技术的发展，计算机控制过程的广泛应用，和科学管理的加强，使窑的单位产量指标有所提高，因此对设计中已确定的回转窑，一定要进行产量的标定。 2、产量标定的要求 产量的标定应在确保优质、低消耗，长期安全运转的情况下，窑所能达到的合理产量，如果对窑的产量标定过低或过高，均会使总系统不配套、生产操作出现不平衡。 标定过低，在设计计算其他附机设备时，也许会出现选型小，在投产后会出现限制窑生产能力的发挥。 标定过高，附机选型也许会出现偏大，而窑实际产量达不到，造成设备能力的浪费。同时给窑生产达标带来困难。 3、标定的方法 （1）根据公式计算： 能够准确的通过同类型窑的理论与经验公式计算，如前所述计算窑产量的公式很多，标定时，应进行多个公式的计算，一般以各公式计算的平均值确定为标定产量。 （2）根据同类型同规格窑产量标定 可根据国内外已投产的同类型同规格窑的实际产量进行标定，最好是综合多家厂生产数据，一般也采用平均值。 同时应结合国内生产条件和生产厂真实的情况进行综合考虑。 3、计算公式与实际产量综合标定 在进行产量标定时，还可采用公式计算与实际生产产量相结合的办法进行标定，一般也取平均值。 四、回转窑系统热耗与热平衡计算 （一）窑的热耗、发热能力和热负荷 （1）回转窑烧成系统热耗分析 1、热平衡计算的目的 进行热平衡计算的最大的目的： 是对新建窑确定燃料消耗量，计算单位熟料热耗； 对生产窑分析系统热工技术性能，为优质、高产、低耗及节能技改提供科学的依据。 2、单位熟料热耗 窑的单位熟料热耗是指窑系统生产单位熟料产量的实际烧成热耗。 由于熟料在煅烧过程中，损失了大量的热量，如废气带走的热焓，窑体向外界散失的热量等，因此，窑的实际热耗比理论热耗高得多。 单位熟料热耗的实际热耗，由下式计算： （kJ/kg熟料） 式中： ——单位熟料烧成实用总燃料量，kJ/kg熟料； ——窑系统小时总耗实物燃料量，kJ/h熟料； G——熟料小时产量，t/h； ——燃料应用基低位热值，kJ/kg熟料。 标准煤耗： （kg/kg熟料） 3、影响单位熟料热耗的因素 熟料烧成过程所消耗的实际热量与煅烧全过程有关，除涉及到原、燃料性质和回转窑（包括分解炉）外，还与废气回收（如预热器、锅炉、烘干）和熟料显热回收（如冷却机）等有关。因此往往需从总的煅烧系统加以考察。 原料组分：关系到完成烧成反应所需的条件和理论热耗及易烧性。 燃料的质量：影响到窑内温度及其分布； 窑型与窑规格：不一样窑，热耗指标差异很大，同一种窑型，由于规格尺寸、熟料品种、保温情况操作参数控制不同，热耗也有不同。 熟料品种与质量：熟料品种涉及到熟料的矿物组成，矿物组成不同其理论热耗不同；要求的熟料的品质不同，其热耗也有差别。 窑的单位产量：窑的单位产量直接影响到单位热耗，在耗煤量相同时，单位产量高，单位热耗降低。 窑内热工制度：一、二次风量与风温，窑尾排风情况等都直接影响到单位热耗。 总之，影响回转窑单位热耗的因素很多，匈牙利学者对日产2000t熟料的带二次燃烧的悬浮预热器窑进行研究，得到如下数学关系式： 式中： ——熟料热耗，kJ/kg熟料； Ｍ——熟为日产量，t/日； Ｋ——二次燃烧燃料（指在窑尾上升烟道加入的燃料） ＡＭ——生料的铝氧率； ＳＭ——生料硅酸率； ＬＳＴ——生料石灰标准。 比例，％； 从以上公式能看出，熟料产量对热耗影响最大，其次是硅酸率，随供给二次燃烧的燃料比例增加，单位热耗也增加。 以上公式揭示了某一ＳＰ窑熟料热耗和影响因素之间的关系，但公式不适合其他ＳＰ窑，其他ＳＰ窑的单位热耗也可依据熟料产量，生料成分及供给二次燃料的比例计算，但计算公式必须根据各厂具体生产数据重新回归得到。 4、关于回转窑熟料热耗的综合讨论 如上所述影响熟料热耗的因素很多，但从总体分析来看，烧成热耗中影响最大的是热损失。如窑系统排出废气带走热、熟料带走热、窑体表面散热等。 ①废气带走热 出窑废气带走热，对回转窑单位热耗的影响很显著，其热损失量主要由废气量和废气温度决定。 中空干法窑，即使长径比大，但由于窑内物料堆积与气体间换热效果差，排出废气温度很高，往往高达600～700℃以上，若不回收，热耗肯定很高。 湿法长窑，虽排气温度不高（200～240℃），但因料浆中大量水分在窑内蒸发，耗热本身相当高，同时排量高。 新型SP和NSP窑，由于废气经几级预热后，将大量热传给生料，使排气最终温度达到320～380℃，个别系统甚至降到240℃，因而能大大降低烧成热耗。 但应指出的是，单位熟料排气量，除与燃料特性，热耗水平及燃烧控制条件（过剩空气系数）有关外，还与漏风情有很大关系，因此往往是评价设备及操作水平的一个指标。 在生产中应控制好排气量和排气温度，更主要的是加强废气热的回收。 ②熟料带走显热 主要与熟料离窑温度有关。回收熟料显热的主要措施是加强冷却，提高冷却机的热效率。 ③窑体散热 主要与窑皮及窑衬材料的隔热性能有关。可采用隔热材料降低热损失。 （2）回转窑的发热能力及热负荷 （前已讨论，略） （二）热平衡计算基准、范围及原始数据 （1）热平衡计算基准 1、物料基准：一般以1kg熟料为基准； 2、温度基准：一般以0℃为基准。 （2）热平衡范围 热平衡的范围必须根据回转窑系统的设计或热工测定的目的、要求来确定。 在回转窑系统热平衡计算时，其平衡范围，可以回转窑、回转窑加窑尾预热分解系统、或再加冷却机和煤磨作为平衡范围，范围选得大，则进出口物料、气体温度较低，数据易没定或取得，但往往需要的数据较多，计算也烦琐。因此一般选回转窑加窑尾预热分解系统作为平衡范围。 （3）原始数据 根据确定的计算基准和平衡范围，取得必要的原始数据，这是一项非常重要的工作。计算结果是否符合实际情况，主要取决于所选用的数据是否合理。 对新设计窑或改造窑来说，主要是根据同类型窑的生产资料，结合工厂具体情况、合理地确定各种参数；对于生产空来说，主要通过热工测定取得实际生产中各种参数。 若以窑加窑尾预热系统为平衡范围，一般要取得如下原始数据： 生料：生料用量、化学组成、水分、入窑温度； 燃料：燃料成分、工业分析和入窑温度； 风：一、二次风的比例和温度、空气过剩系数、漏风系数、废气量与温度； 料损：飞灰量、飞灰温度和烧失量；收尘效率； 热损失：窑体散热、熟料带走热； 熟料形成热：可根据熟料形成过程中的各项化学热效应求得，也可用经验公式计算或直接选定。 （三）物料平衡 窑型：以悬浮预热器窑为例。 基准：1kg熟料；温度0℃； 平衡范围：窑+预热器系统。 根据确定的平衡范围，绘制物料平衡图如下。 （参见教材，物料平衡图） 物料平衡计算： （1）收入项目 1、燃料消耗量 （kg/kg熟料） 设计新窑或技术改造时， 是未知量，通过热平衡方程 2、入预热器物料量 ①干生料理论消耗量： 式中： ——干生料理论消耗量，kg/kg熟料； ——燃料应用基灰分含量，%； a——燃料灰分掺入熟料中的量，%； ——生料的烧失量，%。 求得，已生产的窑，通过热工测定得到。 ②入窑回灰量和飞损量： 式中： ——入窑回灰量，kg/kg熟料； ——出预热器飞灰量，kg/kg熟料； ——出收尘器飞灰损失量，kg/kg熟料； ——收尘器、增湿塔综合收尘效率，%。 ③考虑飞损后干生料实际消耗量： 式中： ——考虑飞后干生料实际消耗量，kg/kg熟料； ——飞灰烧失量，%。 ④考虑飞损后生料实际消耗量： 式中： ——考虑飞损后生料实际消耗量，kg/kg熟料； ——生料中水分含量，%。 ⑤入预热器物料量： （kg/kg熟料） 3、入窑系统空气量 ①燃料燃烧理论空气量： 式中： ——燃料燃烧理论干空气量，Nm3/kg煤； ——燃料燃烧理论干空气量，kg/kg煤。 、 、 、 ——燃料应用基元素分析组成，%。 ②入窑实际干空气量： 式中： ——入窑实际干空气量，Nm3/kg熟料； ——入窑实际干空气量，kg/kg熟料； ——窑尾空气过剩系数。 ③漏入空气量（包括生料送风量）： 式中： ——窑尾系统漏风量，Nm3/kg熟料； ——窑尾系统漏风量，kg/kg熟料； ——预热器出口过剩空气系数。 漏入空气量也可用漏风系数求得。 （2）支出部分 1、熟料量： 2、废气量： ①生料中物理水： 式中： 0.804——为水蒸汽密度，kg/Nm3； ——生料中物理水量，kg/kg熟料； ——生料中物理水量，Nm3/kg熟料。 ②生料中化学水： 式中： ——生学中化学水量，kg/kg熟料； ——生学中化学水量，Nm3/kg熟料； ——干生料中三氧化铝含量，%。 ③生料分解放出 气体量： 式中： ——生料中分解出 气体量，kg/kg熟料； ——生料中分解出 气体量，Nm3/kg熟料； ——干生料中 含量，%。 式中： 、 ——分别为干生料中CaO和MgO的含量，%； 、 、 ——分别为 、CaO和MgO的分子相对质量； 1.977——为 密度，kg/ Nm3。 ④燃料燃烧生成烟气量： （Nm3/kg煤） （Nm3/kg煤） （Nm3/kg煤） （Nm3/kg煤） （Nm3/kg煤） （kg/kg煤） 式中： ——燃料燃烧实际烟气量，（Nm3/kg煤）； ——燃料燃烧实际烟气量，（kg/kg煤）。 （5）漏入空气量： ，Nm3/kg熟料； ，kg/kg熟料。 总废气量： （Nm3/kg煤）； （kg/kg煤）。 3、出预热飞灰量 （kg/kg熟料） 四、热量平衡 参见教材，热量平衡图。 （一）收入项目 1、燃料燃烧生成热 （kJ/kg熟料） 式中： ——燃烧应用基低位发热量，（kJ/kg煤） 2、燃料带入显热 （kJ/kg熟料） 式中： ——燃料的比热，kJ/kg℃； ——燃料入窑温度，℃。 3、生料带入显热 （kJ/kg熟料） 式中： 、 ——分别为生料、水的比热，kJ/kg℃； ——生料入窑温度，℃。 4、回灰带入热量 （kJ/kg熟料） 式中： ——回灰的比热，kJ/kg℃； ——回灰入窑的温度，℃。 5、空气带入热量 （1）一次空气带入热量： （kJ/kg熟料） ——一次窑占总入窑量的比例，%； 式中： ——一次空气在0～ 温度的平均比热，kJ/ Nm3℃； ——一次空气入窑温度，℃。 （2）二次空气带入热量： （kJ/kg熟料） 式中： ——二次空气在0～ 温度的平均比热，kJ/ Nm3℃； ——二次空气入窑温度，℃。 （3）漏入空气带入热量： （kJ/kg熟料） 式中： ——漏入空气在0～ 温度的平均比热，kJ/ Nm3℃； ——漏入空气入窑温度，℃。 总收入热量： （二）支出项目 1、熟料形成热 （kJ/kg熟料） 2、蒸发生料中水分耗热： （kJ/kg熟料） 式中： ——入窑生料温度时水的汽化热，kJ/kg水。 （3）废气带走热量： （kJ/kg熟料） 式中： ——混合气体的平均比热，kJ/ Nm3℃； ——废气温度，℃。 式中： 、……——分别为相应应气体在 温度时的平均比热，kJ/ Nm3℃； 、……——分别为废气中各气体的量， Nm3/kg熟料。 （4）出窑熟料带走热： （kJ/kg熟料） 式中： ——熟料在0～ 温度间的平均比热，kJ/ kg·℃； ——出窑熟料温度，℃。 （5）出预热器飞灰带走热： （kJ/kg熟料） 式中： ——在0～ 温度间飞灰的平均比热，kJ/ kg·℃； ——飞灰温度，℃。 （6）系统表面散热损失： （kJ/kg熟料） 总支出热量： 收支热量平衡： 单位熟料的燃料消耗量 ： 熟料烧成热耗： （kJ/kg熟料） 回转窑的热效率： 在所有的热量支出中，只有熟料形成热量是真正消耗于熟料形成的热量，因此回转窑的热效率应为熟料形成热与入窑总热量之比，即： 但入窑总热量随热平衡范围不同而变化，因此窑的热效率也可用熟料形成热与燃料燃烧热之比 表示， 也称窑 的烧成热效率。 根据单位熟料的燃料消耗量，回转窑的规格尺寸、燃烧带长度等，还可计算一些窑的主要热工技术参数，如窑的发热量、烧成带容积热力强度、截面积热力强度、表面积热力强度等。 以上热平衡计算中，将入窑空气量看成入窑一、二次空气量之和，实际入窑空气量应是入窑一、二次空气量，及少量窑头漏风量组成。设计计算时，也可确定窑头漏风系数，计算窑漏风量。 另外，计算中还忽略了空气中带入的水分、飞损飞灰脱水及二氧化碳分解耗热两项，此两项数量极小，对热平衡计算结果无影响。 五、平衡计算举例 参见教材。 六、降低熟料热耗的节能途径 节能是当今世界各国高度重视的重大课题。水泥工业是耗能较多的工业，在水泥生产中，熟料烧成所消耗的热能约占总能耗的3/4，降低熟料烧成热耗，具有特别重要的意义。 自上世纪80年代以来，我国水泥回转窑采用先进的节能装备和节能技术取得了一定成效。但与国外工业发达国家相比，熟料平均热耗高出70%左右，尤其是我国现有的湿法回转窑热耗比新型干法工艺的先进水平高出一倍左右，水泥费用中能耗已占生产成本的35～50%，能源问题严重制约了水泥工业的发展。因此在回转窑系统新窑设计和旧窑改造中，必须充分重视节能降耗，采取各种

  ，降低熟料烧成热耗。 通过以上分析能够准确的看出，回转窑热耗高的主要原因有： 1、预热器出口废气与飞灰热损失大： 影响废气热损失的主要因素是废气温度及单位熟料废气量，因此降低废气温度和单位熟料废气量是减少废气热损失的主要途径。 为降低废气温度，除了保持窑、炉的合理煅烧外，应设计换热效率高的预热器系统，并注意系统参数的优化匹配，或采用五级旋风预热器以有效降低废气温度。 为降低废气量，一定要重视窑系统的密封堵塞，减少系统漏风及燃烧过剩空气量。 为减少飞灰热损失，应采用分离效率高的预热器和密封性能好的锁风装置，减少飞灰量。 2、系统表面散热损失大： 单位熟料散热损失主要与窑系统的夏天隔热，冬天保温材料和耐火材料及窑的操作有关，因此，必须大力改善隔热材料及耐火材料的性能，合理使用隔热材料和耐火材料；优化窑的操作，稳定窑的热工制度。 3、冷却机的热效率： 冷却机的热效率对熟料热耗的影响很大。因此，在回转窑系统的设计中，还需进行冷却机热平衡。 冷却机的热损失包括废气、熟料带走热及冷却机表面散热等。 采用新型冷却机，改进冷却机的结构和扬料装置，可提高入窑、入分解炉助燃空气的温度，降低冷却机出口熟料温度，减少排出废气量，提高冷却机热效率，也是降低熟料热耗的有效措施。 以上三大热损失，是很多类型水泥回转窑的主要热损失，减少三大热损失降低熟料热耗的主要途径。 七、回转窑的热工测定及平衡计算 为了考核、分析水泥回转窑系统的热工性能，评议回转窑系统的设计和操作水平，为技术改造和优化操作提供科学的依据，或者为了对比技术改造前后的技术经济效益；或者为了开展全厂能量平衡工作，在生产中必须定期地对回转窑系统来进行热工测定，并进行热平衡计算。 回转窑系统的热工测量与计算方式，已有国家标准，可参照GB4179-84《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方式》进行。 在进行回转窑热工测量与热平衡计算时，除一般准备工作外，应注意以下几点： 1、确定热工测定的范围 热工测定及热平衡范围的选定，首先应符合热工测定的目的，其次应使选定的系统界面处各测定项目易于测量和能够测准。 2、确定测定项目，布置测点，开好测孔 测定项目应由热平衡收支项目和需分析考核的热工技术指标而确定。测点具体开孔位置要根据现场真实的情况，使测点有代表性，并便于测定。 3、测定期间窑系统必须正常运作，热工制度稳定，反映平时正常的水平。 4、测定期间所用原料、燃料及生料成分应稳定并有代表性。 5、在窑系统正常运作情况下，要连续同步做测量，测量时间最好应持续三个班，一般不应该少于二个班。 6、各测量及分析项目测量（采取）周期及分析方法，必须按国标进行。 7、测定数据要有代表性，对同一测定量的多次测量结果，应根据概率论及数理统计的原理进行数据处理，删除一些明显有差距的数据，然后再求平均值。 8、进行热平衡计算时，物料平衡和热量平衡总收支绝对误差绝对值占总收入量的比例小于5%，否则测定无效，应分原因并重测。 *

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